赛迪内刊:国外低功耗广域网发展情况及启示
通信产业网|2017-11-14 11:15:59
作者:彭健来源:赛迪智库无线电管理研究所

所长导读——赛迪智库无线电管理研究所所长 李宏伟

当前,物联网实现泛在互联通信是新一代信息通信领域的创新目标,按照通信距离应用,可以分为短距离通信技术和远距离通信技术。为解决当前物联网终端功耗较高、无法适应海量终端连接、广域覆盖能力不足和成本问题等难题,远距离无线通信技术(LPWAN)作为当前物联网技术的重要组成部分,成为该领域的新热点,它能够适应长距离、广覆盖终端设备连接的应用场景需求。

当前,低功耗广域网在全球快速发展, 根据全球GSMA的统计数据,到2020年,整个物联网行业将具备更大发展能力,其中LPWAN的应用连接数将占到物联网总连接数的60%,其重要性不言而喻。我国也一直积极推进物联网相关产业发展,国内产业政策支持力度不断加强,产业和市场规模持续扩展,具有巨大发展潜力。

“本期主题”围绕“我国低功耗广域网络(LPWAN)发展及展望”这一主题,介绍了我国低功耗广域物联网市场规模及产业概况、面临的机遇、应用场景和重点案例,并提出我国低功耗广域网络发展建议。“国际观察”栏目,研究探讨了国外低功耗广域网发展情况及对我国的启示。“政策解读”对《工业和信息化部办公厅关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》进行了解读。“热点分析”对工信部正式发布《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》、IMT-2020推进组主办的5G峰会、《无线电频率使用许可管理办法》发布三个热点事件进行了解析。

期望本期内容能得到各级政府部门和业界的关注。希望我们的研究成果能为上级领导部门以及地方无线电管理机构起到决策支撑作用,为相关产业发展提供理论支持。


从人类进入信息时代以来,经济社会发展对信息互联互通的需求不断提升,通信的范围和边界已从人与人逐渐拓展到物与物以及人与物之间。得益于ICT技术近年来突破性的进步,尤其是物联网技术的规模化部署使得万物互联正在逐步成为现实。物联网技术按照应用场景对传输速率和覆盖范围的要求,主要分为四类:第一类是低速率短距离物联网技术,主要以蓝牙、NFC以及Zigbee等为代表;第二类是高速率短距离物联网技术,主要以WiFi为代表;第三类是高速率远距离物联网技术,主要以3G、LTE等传统蜂窝移动通信技术为代表;第四类是低速率远距离物联网技术,以NB-IoT、LoRa、Sigfox等为代表,目前该类低功耗广域网(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)技术发展迅速并在全球范围内获得广泛应用。根据GSMA今年初的预测,到2022年LPWAN连接数将超越2G、3G和4G,成为物联网领域应用量最大的通信技术。可以说,当前已进入LPWAN发展的关键阶段。

一、低功耗广域网是现阶段物联网部署的重点

(一)低功耗广域网技术发展概述

为满足远距离低速率物联网设备快速增长的联网需求,LPWAN应运而生,其低带宽、低功耗、广覆盖以及海量连接等特性能够适应多样化的物联网需求。其中,LPWAN技术按照使用频率的不同可分为两类:一类工作在非授权频段,如Lora、Sigfox等,大多使用ISM非授权频段,这类技术一般非标准化,能够自定义协议;一类是工作在授权频段的蜂窝LPWAN技术,以NB-IoT、eMTC等为代表,这类技术一般由国际标准化组织3GPP负责完成相关标准化工作。

1、蜂窝LPWAN技术

目前蜂窝LPWAN技术主要有NB-IoT和eMTC,二者同属于3GPP定义的LPWAN技术,其标准化历程、产业生态以及应用部署都基础处于同步推进状态。NB-IoT、 eMTC二者之间既有许多相似之处,又存在各自差异化的特点,具体如下表所示。

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通过对二者多种技术指标的梳理和对比分析,可知它们既互为补充,又存在竞争。如某个应用场景对语音通话、移动性、传输速率等方面存在较高的性能要求,应该优先选择eMTC技术。反之,如果应用场景对上述方面的指标要求不敏感,而更在意成本、覆盖范围等因素,则应该首选NB-IoT。截至2017年6月,全球共有26家运营商正在部署蜂窝LPWAN网络,主要集中于亚洲、欧洲和北美地区。

2、非蜂窝LPWAN技术

(1)LoRa

2013年,Smetech公司发布了一种新型工作于1GHz以下频段的长距离低功耗数据传输技术(Long Range,简称LoRa)。LoRa 采用线性扩频调制技术,其覆盖范围一般在 15km 以上,空旷地区这一数值将更高。LoRa 采用星型网络架构,是具有最低延迟、最简单的网络结构。对于单节点无法覆盖的区域,可使用LoRa网关设备通过中继组网实现更广域的覆盖。截至2016年年底,全球有美国、法国、德国、澳大利亚、印度等17个国家正在部署 LoRa 网络。电信运营商对LoRa技术也表现出极大兴趣,法国Orange、荷兰 KPN 电信、韩国 SK 电信等运营已经或正在部署覆盖全国的 LoRa 网络,并提供基于 LoRa 的物联网服务。目前LoRa技术已经进入中国,上海东方明珠新媒体股份有限公司正在上海市部署基于LoRaWAN、NB-IoT和ZETA混合接入技术的低功耗广域物联网。

(2)Sigfox

Sigfox是一家成立于2009年的法国公司,Sigfox计划建立全球首个专供窄带物联网使用的全球统一的蜂窝移动通信公司,但其基站等基础设施完全独立于现有的电信运营商。Sigfox利用超窄带UNB技术,工作于1GHz以下的ISM非授权频段,在传输功耗非常低的情况下,能够保证稳定的数据传输状态。基于此,Sigfox覆盖范围很广,在农村地区大约为30-50km,城市中受到障碍物影响也能保证10km量级的覆盖。整个Sigfox网络拓扑是一个可扩展、高容量的网络架构,其基础设施一般采用简单和易于部署的星型单元。截至2017年1月,Sigfox在法国、俄罗斯、英国、德国等29个国家建有网络,覆盖面积170万平方公里,覆盖人口超过4亿,但目前暂未进入中国。

(二)典型应用场景

1、智能表计

目前国内很多小区抄表(水、电、燃气)普遍采用手持式抄表机和基于GSM/GPRS远程抄表两种方式。对于前者,某些小区的表计安装位置不方便人工抄表,并且该方式需要较高的人工成本。对于后者,GSM/GPRS网络功耗和成本方面还有进一步提升的空间。而LPWAN所具备低功耗、成本低,传输距离远等优点,不仅不需要人工抄表,更在功耗和部署成本方面大大优于GSM/GPRS,非常适合智能表计行业。目前数百万的智能表计已经在全球得到大规模部署,水、电、燃气等行业使用LPWAN实现了智能表计的广域、鲁棒性和稳定性。

2、交通流量智能监测

目前道路上的监测信息主要依靠人工和视频监控,信息准确性和实时性都无法得到保障。部署LPWAN之后,能够在前段前端地磁车辆传感器与后台云端管理系统之间搭起一座可靠的信息传输桥梁:地磁车辆传感器(实时收集信息)——LPWAN(实时传输信息)——云端管理系统(分析和决策)。在传感器实时信息收集以及LPWAN实时传输的基础上,云端管理系统能够及时地对道路车流量、拥堵率等交通道路信息进行分析,为监管部分决策提供精准的数据支撑,从而有效改善交通拥堵情况。

3、城市智能车位管理

目前国内绝大部分城市的车位信息尚未互联共享,导致车主无法实时获知城市各区域停车位的准确信息。部署LPWAN城域级网络,各停车场安装的停车位感知传感器,能够通过LPWAN将车位实时信息上传到城市停车位统一管理中平台。管理平台汇总全市所有停车位实时信息,能够将信息下发至发起需求申请的注册用户。注册用户通过手机APP接收城市停车位信息,进而实现手机停车位精准查询、车位预约、车位导航、精准计费和支付等功能,能够大大提高城市车位资源利用率,有效缓解城市停车难、管理难等问题。

4、资产和人员跟踪定位管理

对于资产和人员的管理,其需求场景已经从静态逐渐拓展至移动,WiFi等短距无线通信技术无法满足资产和人员活动范围的要求。移动物品的定位追踪需求已经深入到人们日常生活的方方面面,能够有效提升食药的安全性、物流的高效可控性、人员看管的便利性。要实现移动物品的定位追踪,离不开信息基础设施的建设。虽然目前蜂窝移动通信网络能够支撑应用需求,但是其网络功耗大、成本高等问题对于规模化应用普及是个巨大挑战。而LPWAN不仅能够满足资产和人员跟踪定位的需求,还能极大地降低网络功耗和服务提供商成本,其市场需求值得进一步挖掘。

5、公共设施健康实时监测管理

桥梁、天桥等城市公共设施在运营、使用过程中,在设施的关键结构处装置相关传感器,通过LPWAN城域网将数据信息上传至管理系统,在实时准确监测公共设施服务能力的基础上,对其受损位置和程度进行定位和诊断,对设施的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估,为潜在的异常情况进行预警,达到减少和避免城市公共设施安全事故发生的目的。

二、国外发展低功耗广域网情况

(一)非蜂窝LPWAN率先部署

NB-IoT和eMTC作为蜂窝LPWAN的代表,其核心标准在2016年年中冻结,今年刚刚正式启动商用。相比之下,LoRa等非蜂窝LPWAN技术具有了1年多加速发展的时间窗口,其产业链更加成熟,项目落地经验也更加丰富。基于此,很多国外运营商非常重视LoRa技术,在NB-IoT标准落地前就开始进行运营商级网络的建设。

荷兰:2016年7月,荷兰电信商KPN利用LoRa技术,率先推出全球首个覆盖全国的物联网网络。为了节约成本和快速部署,KPN最大程度重复利用了其原有的基站等基础设施,从而快速建设出一张全国范围的物联网网络。

法国:2016年,法国电信运营商Orange正式加入LoRa联盟。截至2017年年中,Orange的LoRa网络已经覆盖法国4000个城镇。根据Orange公开的资料显示,该公司计划在今年底前实现LoRa网络全国范围全覆盖。

德国:2015年,Semtech和Digimondo在德国柏林、汉堡和纽伦堡三个城市部署LoRa测试网络。截至目前,公司已经在德国25个主要大城市完成了LoRa网络部署,并测试完毕。Digimondo计划在2017年实现全德国LoRa网络的无缝覆盖。

瑞士:瑞士电信(Swisscom)作为瑞士本土的垄断性移动运营商,早在2015年3月LoRa Alliance成立之时便加入,并宣布要加快在瑞士部署LoRa网络。时隔一年,Swisscom正式宣布开始着手部署。

韩国:韩国SK电讯是韩国最大的移动通信运营商,2015年7月该公司加入LoRa联盟。目前韩国SK电讯已经在全国范围内部署了通过基于LoRa技术的低功耗广域网,覆盖了韩国99%的人口,并计划到2017年底实现其LPWAN设备连接数超过400万的目标。

(二)蜂窝LPWAN加速追赶

从NB-IoT/eMTC核心标准冻结后,蜂窝LPWAN产业链各方表现十分活跃,国际上LPWAN发展态势有了新变化。目前来看,之前已经部署LoRa或SigFox的运营商正在计划部署NB-IoT或eMTC,而之前尚未部署LPWAN的部分运营商甚至会优先考虑蜂窝LPWAN。据GSA《NB-IoT和LTE-M演进报告》(8月版)显示,目前全球共有8家运营商正式商用NB-IoT,3家运营商正式商用eMTC,16家运营商正在计划建设NB-IoT或eMTC网络。从区域来看,欧洲和亚洲更青睐NB-IoT方案,而北美市场目前将重点聚焦于eMTC。

德国:德国电信(DT)于2016年10月在德国启动了全球第一个完全标准化的NB-IoT网络。并且,DT在今年初对外公开表示,将继续在欧洲8个国家部署NB-IoT商用网络。

西班牙:今年1月,沃达丰在西班牙的瓦伦西亚和马德里推出了NB-IoT商用网络,到第一季度末NB-IoT基站增加至1000余个,每个基站可接入10万部终端。沃达丰最终目标是实现NB-IoT网络覆盖西班牙全境,为1亿多用户提供窄带物联网服务。

韩国:为与SK电讯早先推出的LoRa网络竞争,2016年11月韩国电信运营商KT与LG Uplus达成NB-IoT合作共识,可理解为“网络、生态共建共享,业务相互竞争”,有助于网络快速建设和产业生态完善。今年7月,商KT与LG Uplus共同宣布建成覆盖全国的NB-IoT网络。

美国:目前美国四大电信运营商除了T-Mobile以外,其他三大运营商都已经开始部署蜂窝LPWAN。Verizon——今年3月正式商用LTE-M(eMTC)网络,业务套餐最低门槛为2美元/部设备/月;Sprint——目前已经完成全美范围的LTE Cat 1网络部署,计划2018年建设LTE-M(eMTC)网络;AT&T——今年5月完成全美LTE-M网络部署,最低收费仅为1.5美元/部设备/月。

三、对我国的启示

(一)理顺蜂窝LPWAN与非蜂窝LPWAN之间的关系

一是二者技术特点决定了既有竞争又有互补。以NB-IoT和LoRa为例,虽然二者都具备低功耗、广覆盖、成本低等共性LPWAN技术特点,但NB-IoT带宽更大、可靠性更高,能够全球漫游,更适合大网覆盖,而LoRa功耗更低,部署更简易、成本更低,更能够灵活满足多样化场景应用需求。二者无论是短期还是长远来看都将处于并行发展的态势,优势互补。二是三大运营商应根据需要适时选择混合组网。NB-IoT等蜂窝LPWAN可以复用现有蜂窝基站是其一大优势,但我国幅员辽阔,在农村、山区、牧场等偏远地区现有蜂窝网络尚未实现100%覆盖,如果只使用单一NB-IoT技术体制势必会增加在该地区的建网成本。相反,如果利用好信号塔、工业基站乃至家庭网关等资源来灵活部署LoRa网络,可以有效降低成本。与此同时,发挥好NB-IoT大网覆盖的优势,与LoRa混合组网,协同工作。

(二)升级为国家战略全面推进全国NB-IoT网络建设

一是坚定支持NB-IoT作为我国未来全覆盖的物联网骨干网络。一方面,从技术角度出发,相比LoRa等非蜂窝LPWAN技术,NB-IoT不仅适合大网覆盖,更能够确保电信级安全,可以作为未来全国覆盖的物联网骨干网络。另一方面,从产业链话语权出发,以华为为代表的国内企业在NB-IoT的标准制定中有着举足轻重的作用,占据了非常重要的话语权。而同为蜂窝LPWAN范畴的eMTC,我国的话语权相对较弱。二是协同各方资源加快互联互通的NB-IoT网络全国覆盖。首先,在网络规划阶段就必须协调推进NB-IoT互联互通,只有三大运营商建设的NB-IoT实现互联互通,才能真正打通国家物联网“大动脉”。其次,通过进一步共建共享三大运营商基础设施资源、合理配置NB-IoT工作频段、引导多模多频芯片和模组研发、降低NB-IoT物联网终端成本等多种措施,产业链上下协同形成合力,加速NB-IoT网络全国落地和应用普及。

(三)密切关注行业无线专网需求补齐物联网通信短板

一是同步开展行业专用LPWAN需求调研工作。现有通信领域,除了运营商提供的公众移动通信网络以外,公安、民航、铁路、安防等诸多行业需要建设“专用网络”来满足业务安全保密和网络稳定可靠等个性化需求。可以预见,这些行业在NB-IoT商用后仍然会对LPWAN有自己的特殊需求,由于细分行业众多,需要集中进行行业需求调研。二是重视行业LPWAN专网标准制定。此前在专网领域已经有TETRA、iDEN、DMR等国外主导的集群通信标准,以及我国主导的GoTa、GT800数字集群通信标准以及B-TrunC宽带集群标准。从LPWAN未来专网标准的发展趋势来看,虽然目前部分行业和单位已经采用LoRa等现有非蜂窝技术体制搭建私有专网,但一方面LoRa等技术的核心标准掌握在其他国家,难以在涉及国家网络信息安全的行业中完全实现自主可控;另一方面,LoRa等技术使用非授权频段,网络信息安全同样无法保障。为了确保我国物联网时代行业专网使用的安全性,以及占据LPWAN专网国际产业话语权的领先地位,必须加快我国相关行业LPWAN专网的标准制定。三是培育产业生态。在3G、4G时代,催生了海能达、信威通信、普天通信等专网领域的优秀企业以及每年数百亿的市场规模。物联网时代,随着LPWAN的广泛应用,必将形成更为广阔的市场空间。当前要进一步整合国内专网领域产学研用的主体力量,加大在标准制定、频率规划、产业动态等方面的互动交流,营造上下游协同、“芯片—系统—终端—应用”互动的产业发展环境。

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责任编辑:党博文

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